三分鐘了解面向未來(lái)的能源互聯(lián)網(wǎng)的電網(wǎng)信息物理融合系統(tǒng)

美國(guó)國(guó)家基金委員會(huì)首先提出信息物理融合系統(tǒng)（CPS）的概念，在隨后幾年內(nèi)CPS成為美國(guó)政府在信息技術(shù)領(lǐng)域的重點(diǎn)研究方向和國(guó)際學(xué)術(shù)研究熱點(diǎn)。CPS是在物理世界感知的基礎(chǔ)上，深度融合計(jì)算、通信和控制能力，通過(guò)信息空間虛擬網(wǎng)絡(luò)和物理空間實(shí)體網(wǎng)絡(luò)的相互協(xié)調(diào)，使物理系統(tǒng)具有更高的靈活性、自治性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性和安全性。CPS的愿景是成為一切大規(guī)模工業(yè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，例如在德國(guó)提出的“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略中，將CPS作為關(guān)鍵基礎(chǔ)技術(shù)，旨在實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)及過(guò)程的智能化。未來(lái)的電力、能源、交通、制造、物流等大型基礎(chǔ)設(shè)施和重要行業(yè)均將成為CPS。

當(dāng)今的電網(wǎng)已經(jīng)進(jìn)入智能化時(shí)代。智能電網(wǎng)廣泛使用廣域傳感和測(cè)量、高速信息通信網(wǎng)絡(luò)、先進(jìn)計(jì)算和柔性控制等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)發(fā)電、輸電、變電、配電、用電和調(diào)度六大環(huán)節(jié)的信息化、自動(dòng)化、互動(dòng)化。在智能電網(wǎng)中，越來(lái)越多的電力設(shè)備采用嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，大量的電氣設(shè)備、數(shù)據(jù)采集設(shè)備和計(jì)算設(shè)備通過(guò)電網(wǎng)、通信網(wǎng)兩個(gè)實(shí)體網(wǎng)絡(luò)互連，在一定程度上已經(jīng)具備CPS的基本特征。隨著電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)、大容量傳輸網(wǎng)、泛在傳感網(wǎng)的建設(shè)，與互聯(lián)網(wǎng)、能源網(wǎng)等深度融合，智能電網(wǎng)將持續(xù)演進(jìn)形成廣域協(xié)同、具有自主行為的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，從而構(gòu)成電網(wǎng)信息物理融合系統(tǒng)（GCPS）。GCPS通過(guò)電網(wǎng)信息空間與物理空間的深度融合和實(shí)時(shí)交互來(lái)增加或擴(kuò)展新的功能，以安全、可靠、高效和實(shí)時(shí)的方式監(jiān)測(cè)或控制電網(wǎng)物理設(shè)備或系統(tǒng)。

作為一種新的技術(shù)理念，GCPS為實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)智能化的目標(biāo)提供了新的思路和實(shí)現(xiàn)途徑，電網(wǎng)信息空間與物理空間的虛實(shí)融合將成為常規(guī)的系統(tǒng)形態(tài)，可從以下幾方面進(jìn)一步提高電網(wǎng)運(yùn)行效率與服務(wù)價(jià)值。

GCPS將顯著提升電網(wǎng)的信息感知、集成、共享和協(xié)同能力。我國(guó)電網(wǎng)現(xiàn)正處于一個(gè)高速發(fā)展時(shí)期，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式日趨復(fù)雜，系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行面臨諸多風(fēng)險(xiǎn)因素。GCPS除了現(xiàn)有的調(diào)度、生產(chǎn)、營(yíng)銷等信息采集傳輸系統(tǒng)外，還可以通過(guò)智能化電力設(shè)備、工業(yè)級(jí)傳感網(wǎng)、智能家居等，實(shí)現(xiàn)多物理量或數(shù)據(jù)的廣泛采集和共享；突破傳統(tǒng)專業(yè)之間的數(shù)據(jù)壁壘，使跨越時(shí)間、空間、物理環(huán)境的協(xié)同成為可能，實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)狀態(tài)的深度認(rèn)知，對(duì)數(shù)據(jù)資源的高效利用。GCPS的系統(tǒng)構(gòu)架下，可合理、充分地綜合各類信息進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的故障診斷，從而減少電能中斷時(shí)間和增強(qiáng)供電可靠性。此外，GCPS還將可能與其它社會(huì)網(wǎng)絡(luò)，如交通網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)多種跨行業(yè)的協(xié)同控制。

GCPS將顯著提升電網(wǎng)的自組織、自適應(yīng)的能力。電網(wǎng)是一個(gè)復(fù)雜的信息物理基礎(chǔ)設(shè)施，在智能電網(wǎng)環(huán)境下信息通信網(wǎng)承載的業(yè)務(wù)日益復(fù)雜繁重，已成為電網(wǎng)生產(chǎn)運(yùn)行與監(jiān)測(cè)控制不可分割的一部分。GCPS將通過(guò)信息與網(wǎng)絡(luò)的融合，可支持全局優(yōu)化與局部控制的協(xié)同。此外，GCPS具有自適應(yīng)功能，對(duì)負(fù)荷控制、設(shè)備特性和用戶偏好等信息有比較準(zhǔn)確的把握，可實(shí)現(xiàn)對(duì)物理設(shè)備的局部控制和控制中心對(duì)參數(shù)的在線調(diào)整，具有自動(dòng)排除各種系統(tǒng)故障（包括物理系統(tǒng)故障和信息通信系統(tǒng)故障）、保證系統(tǒng)正常運(yùn)行的能力。

GCPS將使電網(wǎng)具備大規(guī)模分布式實(shí)時(shí)計(jì)算的能力。電網(wǎng)的特征是能量產(chǎn)生及消耗瞬間保持平衡，電網(wǎng)的任何關(guān)鍵的動(dòng)態(tài)變化都對(duì)電網(wǎng)的可靠性和控制的實(shí)時(shí)性提出相當(dāng)高的要求。GCPS將綜合物理電網(wǎng)的連續(xù)模型與計(jì)算機(jī)的離散模型，突破傳統(tǒng)集中式計(jì)算平臺(tái)的約束，通過(guò)物理設(shè)備中嵌入的計(jì)算部件與中央監(jiān)控系統(tǒng)的信息融合以及計(jì)算進(jìn)程與物理進(jìn)程的交互，使電網(wǎng)具備大規(guī)模分布式實(shí)時(shí)計(jì)算的能力，為解決大規(guī)模分布式設(shè)備的實(shí)時(shí)協(xié)調(diào)優(yōu)化問(wèn)題提供了新途徑。

GCPS將增強(qiáng)電網(wǎng)抵御安全威脅和風(fēng)險(xiǎn)的能力。GCPS將兼顧信息空間安全和物理實(shí)體安全，創(chuàng)新分析信息物理交互影響的耦合性風(fēng)險(xiǎn)，極大提高電網(wǎng)的安全性。電網(wǎng)和信息通信網(wǎng)構(gòu)成了雙層復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，GCPS將通過(guò)對(duì)網(wǎng)絡(luò)理論、故障傳播模型、分析方法以及可信計(jì)算、安全芯片技術(shù)的研究，建立不同防護(hù)手段的相互協(xié)調(diào)機(jī)制，發(fā)展與物理網(wǎng)絡(luò)相適應(yīng)的信息通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與運(yùn)行方法，實(shí)現(xiàn)信息空間和物理空間的協(xié)同安全保障。

未來(lái)電網(wǎng)是廣域范圍內(nèi)的能量傳輸平臺(tái)和市場(chǎng)互動(dòng)平臺(tái)，是一次能源及終端用戶之間的樞紐和橋梁。未來(lái)的能源互聯(lián)網(wǎng)，將是以電網(wǎng)信息物理融合系統(tǒng)為基礎(chǔ)，以可再生能源為主要一次能源，與天然氣網(wǎng)絡(luò)、交通網(wǎng)絡(luò)、儲(chǔ)能裝置等其它系統(tǒng)緊密耦合形成的復(fù)雜多網(wǎng)流系統(tǒng)，統(tǒng)籌協(xié)調(diào)各種能源的互補(bǔ)關(guān)系，形成能源、電力、信息綜合服務(wù)體系。